PID调节控制做电机速度控制

PID调节控制做电机速度控制

曲健

曲健（山东建筑大学机电工程学院山东济南250101）

摘要：随着新型控制元件的出现，及现代控制理论的不断发展，传统的驱动系统逐渐向高速数字化的方向发展，具有直接驱动性能的直线电机，具有行程长，响应快的特征，可以提高伺服系统的效率，在超高运行中得到了广泛应用。本文将永磁直线同步电机为控制对象，深入研究其工作原理及控制方法，对系统进行软硬件设计，通过实验验证控制效果。

关键词：PID控制；电机速度

中图分类号：G623.5文献标识码：A文章编号：ISSN0257-2826（2019）07-112-01

随着电力电子元件的更新，伺服驱动技术不断改善，高速度精密系统成为新的发展趋势，为速度的加快提高了工业生产率，使得加工零件的热变形程度减小，在行程较小的高速精密系统中，其优点是可以缩短运动与停止间的过渡时间，研制新型高速精密驱动系统具有重要的实用价值。永磁直线同步电机是直线电机的一种，具备了永磁电机的优点，能提供较高的加速度及定位精度，在数控机床，集成芯片等领域应用较为广泛。其在位置控制检测方面存在不少难点，外界扰动因素易对系统参数造成影响，影响系统的性能。本文旨在建立噪声低，精度高的永磁直线同步电机伺服控制系统，利用线性霍尔元件为位置反馈传感器，可准确定位直线电机的启动，停止位置角度。检测系统的快速反应能力。

一、直线电机研究与发展概况

1.直线电机的原理

直线电机可以不借助中间传动环节，将电能转化为机械能，直线电机与旋转电机本质相同，直线电机可作为旋转电沿径向剖开，通常情况初级由定子转变而成，直线电机铁芯不闭合，会带来端部效应的影响[1]。

实际应用中，为防止直线电机初级与次级耦合部分避免出现无法正常运行的情况，电机初级与次级长度不同，综合考虑生产与运行费用，短初级长次级结构应用广泛。直线电机结构可分为圆筒形，圆弧形及扁平型，按功能用途分类可分为力电机，功电机与能电机。从原理角度出发，直线电机包括直线电动机与驱动器两类。

2.直线电机的传统控制策略

直线电机伺服应用领域日益广泛，对控制策略的选择提出了更高的要求，选择控制策略需评估伺服系统的抗干扰能力，从电磁推力等多方面因素判断直线电机控制策略。目前直线电机控制仍以传统的PID控制策略为主，因PID控制已满足大多测控系统，PID参数调试可靠性高，其控制对象为二阶线性系统，要求被控制对象有明确的数学模型，通过设定合适的比例，微分系数达到满意的效果。

随着智能控制理论发展，PID控制方法逐渐暴露一些缺点，因P、I、D三个参数相互影响，必须反复调试，三个参数采取折中的办法参数整定耗时，在复杂的非线性时变系统中，PID控制效果不佳，难以满足参数与结构不确定的控制系统的要求，直线电伺服控制系统具有非线性的特点，如仅采用PID控制无法达到预期的效果，相关研究人员提出在PID控制中引入现代策略结合形成新型控制方法[2]。

3.直线电机的现代控制策略

在高速精密的伺服控制系统中，必须综合考虑系统的复杂性，及外部干扰的影响，使用传统控制策略难以达到较为理想的效果，现代控制策略控制算法通过计算机编写，可达到最优控制效果。主要包括自适应控制，预测控制等。

传统控制策略下控制对象往往为线性，要求系统运行环境确定，被控制对象受外界扰动参数发生变化时，需采用模型参考自适应控制，自适应的主要特点是其参数不确定性，针对直线电机伺服系统的非线性特点，可采用自适应策略增强其抗干扰性，70年代后，计算机技术不断进步，自适应控制理论得到了迅速发展。

智能控制可在无人干预的情况下实现自动控制，其控制对象主要是广义模型，智能控制模仿了人脑神经系统的思维能力，具有学习与计算功能，适用于控制环境与任务复杂的系统。智能控制包括神经网络控制与模糊控制。

神经网络控制将神经网络理论与控制理论结合，通过从知识库中得到有用数据进行非线性拟合即可实现复合控制，易于软件实现，目前神经网络控制因其鲁棒性较好被广泛应用。神经控制在工业控制等领域应用广泛，但其仍存在许多控制难点，增强神经网络的可理解性不高，神经网络控制理论有待提高。

二、永磁直线电机控制策略及系统设计

目前全数字化的交流传动系统已成为电机控制领域的主要研究方向，采用高效的控制算法对数字信号进行变换等处理，驱动控制伺服系统。本文设计系统采用典型的三闭环控制结构，伺服系统主要包括控制电路与功率电路两大模块，通过电流霍尔传感器采集电机的两相电流，通过线性霍尔元件采集电机的位置角度信号，DSP将两种信号处理后输入PWM信号控制逆变器，功率电路以智能功率模块为核心，PWM信号经光耦隔离后控制IPM开关的通断，功率电路的过压，短路及IPM故障信号等由保护电路模块处理后反馈给DSP数字端口调控。

搭建以DSPTMS320F2812为控制核心的硬件实验平台，对PMLSM伺服系统进行空载实验，进一步验证系统的可靠性。系统控制对象为内置线性霍尔元件的圆筒形直线电机STA2504S，实验控制平台包括调压器，主电路，保护电路等。保证主电源与低压辅助电源不共地，电源信号选择绞线降低环路产生的电磁辐射干扰。

DSP处理器将反馈的电流信号，经电压空间矢量算法模块，产生6路PWM信号，分别控制内部桥式逆变器的开关管，DSP输出PWM信号低电平为0V，PWM占空比可通过设置DSP事件管理器比较单元控制。

为实现强电与弱电信号隔离，需将DSP输出的3.3VPWM信号经光耦合转变为15V的IPM驱动信号，转变后PMW信号波形基本保持不变，IPM驱动信号周期为100μs,为防止上下开关管同时导通造成IGBT烧坏，驱动信号必须有5μs的死区时间。直流母线电压在IPM输入端，通过驱动信号控制IGPD判断，IPM输出三相交流电驱动直线电机。开关管通断瞬间未出现尖峰电压，IPM未出现过热情况，满足系统设计要求。

结语

永磁直线同步电机是一种消除中间传动机构的特种电机，在工业自动化领域应用日益广泛，被窝呢建立了基于矢量控制的PMLSM伺服控制系统，研究控制策略对直线电机的电流与位置的影响，分析了直线电机的基本原理，根据选择控制策略搭建PMLSM伺服控制系统的硬件实验平台，进行控制系统空载实验，通过实验波形分析得出系统控制策略有良好的运行状态，上位机VB软件控制电机点运行，实现对电机实时参数的实时监控，

参考文献

[1]明立娟.直流电机控制系统[D].电子科技大学,2008.

[2]王卫.直流电机速度调节中变结构控制与PI控制的比较[J].自动化技术与应用,1987(03):33-38+52.